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提高反應效率、減少催化劑分離過程帶來的能耗和污染是目前化學合成領域面臨的重要問題。在多相催化反應中，分子水平的反應過程和分子群水平的物質傳遞過程都是圍繞著多相界面進行的。因此，對界面間的物質擴散和反應過程進行協(xié)同控制，有望實現(xiàn)反應在宏觀水平上的有效強化。近期，大連理工大學化工學院化學系張利靜博士和陶勝洋教授團隊利用3D打印、數(shù)值模擬等工程學手段、并結合界面化學技術制備了一種同時具有界面微結構和反應活性的動態(tài)催化反應器。該反應器的界面結構有效強化了流體在固液界面間的運動過程，將多相反應中的物質擴散與反應過程高效耦合在一起，極大地提高了反應的催化效率。相關結果發(fā)表在Advanced Materials Technologies（2019, 4, 1800515）上，并被Materials Views China進行亮點報道，同時搜狐科技、網(wǎng)易新聞、新浪博客、大連理工官方微博、工信部下屬增材制造研究院、南極熊3D打印網(wǎng)、三迪時空等十余家知名媒體、3D打印門戶網(wǎng)站和科研院所都對此工作進行了轉載報道，累計總瀏覽次數(shù)上萬次。

3D打印技術是一種逐層累加的加工方式，可以快速的將具有復雜結構的數(shù)字模型轉化為現(xiàn)實中的實體物體。它能夠加工的材料較為廣泛，包括工程塑料、光敏樹脂、金屬、陶瓷、生物細胞等等。研究團隊采用立體光固化3D打印機加工得到具有不同界面微結構的光敏樹脂攪拌槳，并綜合利用結構力學和流體力學有限元分析手段對攪拌器運動過程中受力及表面流體分布情況進行模擬分析，設計得到能夠在界面形成較強漩渦動能區(qū)域的界面微結構，強化物質的傳遞和擴散過程。

在催化活性設計方面，研究者設計合成具有丙烯酸酯基團的咪唑基離子液體，通過光聚合方式修飾在攪拌槳的表面，并與四氯合鈀陰離子交換經(jīng)NaBH₄還原，得到具有Pd催化活性的界面。該研究團隊利用此思路設計制造的具有棱柱界面結構和Pd催化活性的攪拌器，很好的將擴散與反應過程充分耦合在一起，對硝基苯酚還原、Suzuki偶聯(lián)和染料污水脫色反應都起到很好的催化效果。熱過濾實驗顯示催化劑泄漏極低，攪拌器可循環(huán)多次使用，并且在反應后攪拌器可以方便的從反應液中直接提拉分離出來，克服了常規(guī)攪拌反應中催化劑難以分離的問題。

動態(tài)催化攪拌器將數(shù)字設計與制造、有限元計算分析和界面化學修飾相結合，體現(xiàn)了現(xiàn)代數(shù)字信息技術與傳統(tǒng)化學分子設計方法的高度交叉合作。這一過程簡單可控、應用方便。并且3D打印技術也有將制造物體快速放大的優(yōu)勢，有望將這一催化反應器尺寸放大到滿足實際生產(chǎn)的尺度。相信將3D打印與界面化學修飾相結合會成為制造用于多相催化反應器件的有力手段。

論文第一作者為研究生武娟娟，張利靜博士和陶勝洋教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金項目（21473019, 51703017）和大連理工大學基本科研業(yè)務費（DUT 17LK36）支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.201800515

MaterialsViews亮點評論：http://www.materialsviewschina.com/2019/03/35047/

搜狐科技轉載鏈接：http://www.sohu.com/a/301580546_100034932

網(wǎng)易新聞轉載鏈接：http://3g.163.com/dy/article/EB4PMDSJ0511EK46.html

新浪博客轉載鏈接：http://blog.sina.com.cn/s/blog_1663697630102xzm9.html

三迪時空轉載鏈接：http://www.3dfocus.com/news/show-10373.html

工信部工業(yè)文化發(fā)展中心增材制造(3D打印)研究院新材料研究所官網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究報道：http://miitcls3d.com/article262/detail351.html